基于振動(dòng)測(cè)試的鉆井泵故障診斷測(cè)試點(diǎn)優(yōu)選

于　雷，楊月明，鐘功祥，吳奇兵，祝令闖

0　引言

鉆井泵是石油鉆井循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作環(huán)境惡劣，生產(chǎn)中常出現(xiàn)故障導(dǎo)致施工停滯，進(jìn)而造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。在鉆井泵進(jìn)行故障診斷過程中，由于核心部件較多且間距較小，振動(dòng)測(cè)試中振動(dòng)信號(hào)會(huì)相互干擾，因而很難完成基于振動(dòng)測(cè)試鉆井泵整體結(jié)構(gòu)的故障診斷。

通常，將鉆井泵中的排出閥、吸入閥、缸套歸為泵的液力端部件，傳動(dòng)軸、曲軸、曲軸連桿機(jī)構(gòu)、十字頭、齒輪軸承等部件為動(dòng)力端核心部件。在故障診斷方法上，由于常用的機(jī)械故障診斷方法不能準(zhǔn)確判定故障，所建診斷模型自動(dòng)化程度不高且計(jì)算緩慢，因而無(wú)法準(zhǔn)確獲取鉆井泵的故障特征，無(wú)法提出具體的維修保養(yǎng)建議。為能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)算和自動(dòng)判斷故障等功能，振動(dòng)測(cè)試是目前較流行的方式，目前的研究中并沒有針對(duì)液力端、動(dòng)力端的進(jìn)行綜合的測(cè)試，且振動(dòng)測(cè)試過程中測(cè)試點(diǎn)之間相互干擾，容易造成故障分類不明確，而且測(cè)試過程中常出現(xiàn)不同故障具有相同振動(dòng)特性，未能對(duì)復(fù)合故障進(jìn)行區(qū)別并對(duì)故障位置作判斷，此類現(xiàn)象可以歸結(jié)為測(cè)試點(diǎn)放置位置不準(zhǔn)確而造成的。

F1300型鉆井泵仍然是目前油田常用的鉆井設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式比較有代表性，因而，在振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，確定該型號(hào)鉆井泵測(cè)試點(diǎn)位置，也將為其它型號(hào)鉆井泵測(cè)試點(diǎn)位置的確定起指導(dǎo)性作用。

1　鉆井泵常見故障及測(cè)試點(diǎn)位置

無(wú)規(guī)律的振動(dòng)是鉆井泵工作運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，其中有的振動(dòng)信號(hào)是機(jī)器運(yùn)行所產(chǎn)生的，還有一部分也可能是鉆井泵內(nèi)部零件異常造成的。若鉆井泵發(fā)生故障，機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)行，不同位置的振動(dòng)信號(hào)均會(huì)在機(jī)器上有所反應(yīng)。因此，精確的測(cè)試點(diǎn)位置是進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試的必備條件。

因而，找出鉆井泵產(chǎn)生振動(dòng)的原因?qū)⒏欣诰_定位測(cè)試點(diǎn)的位置，而振動(dòng)的產(chǎn)生有以下原因[1]：

（1）鉆井泵正常工況下所引起的振動(dòng)。

（2）鉆井泵周期性循環(huán)所引起的規(guī)律性振動(dòng)。

（3）鉆井泵設(shè)計(jì)加工過程中的缺陷所引起的振動(dòng)。

（4）鉆井泵零部件故障產(chǎn)生無(wú)規(guī)律的振動(dòng)。

（5）周圍礦場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)共鳴。

實(shí)踐表明，所有的振動(dòng)中第二種為最主要的振動(dòng)。而對(duì)于環(huán)境中周圍機(jī)器引起的振動(dòng)信號(hào)是可在濾去雜波信號(hào)[2]。其自身的周期性振動(dòng)認(rèn)為是相同信號(hào)，可在處理過程中中將其濾去。而由于故障所引起的振動(dòng)卻是不規(guī)律的，而且是容易識(shí)別的，所以精確定位到哪個(gè)位置容易出現(xiàn)故障以及何處可以精確收到故障信號(hào)對(duì)整個(gè)故障診斷系統(tǒng)的建立是很有必要的[3]。

鉆井泵的液力端主要由排出閥、吸入閥、缸套及活塞總成組成，此類部件的損傷與否是影響泵頭好壞的關(guān)鍵因素。其中容易發(fā)生故障的有如下幾個(gè)部件：活塞因?yàn)橹芷谛赃\(yùn)動(dòng)規(guī)律，會(huì)受摩擦力和沖擊力影響較大，同時(shí)較大的速度下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，熱量難以刪除造成更大的磨損；由于活塞桿與介桿是通過卡箍連接，在工作過程中易出現(xiàn)起臺(tái)；排出閥、吸入閥的接觸面要求有較好的耐磨性和沖擊性，需及時(shí)監(jiān)測(cè)；閥體受到對(duì)閥座的振動(dòng)沖擊。此類問題都是泵閥失效的主要因素，這些部件的異常振動(dòng)將傳遞到閥箱上[4]。

鉆井泵的動(dòng)力端容易發(fā)生故障的零部件有如下幾種：作為往復(fù)式泵，十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)受到較大的摩擦力和沖擊力；分布在曲軸、傳動(dòng)軸及連桿上等部位的軸承常因無(wú)法及時(shí)潤(rùn)滑導(dǎo)致磨損失效；齒輪相互嚙合位置受到較大的摩擦，而且往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的不均勻受力致使齒輪失效。此類問題都是動(dòng)力端失效的主要因素，這些部件的異常振動(dòng)也將反應(yīng)在機(jī)體上[5]。

2　F1300鉆井泵測(cè)試點(diǎn)優(yōu)選試驗(yàn)

圖1、圖2為鉆井泵測(cè)試點(diǎn)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)的原理及基本流程。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of test system

圖2　振動(dòng)測(cè)試工作基本流程圖Fig.2 Basic flow chart of vibration testing

2.1　測(cè)試儀器

表1　實(shí)驗(yàn)所需儀器Tab.1 The instrument needed for the experiment

試驗(yàn)過程中所需要的試驗(yàn)儀器的具體信息如表1所示。

2.2　測(cè)試對(duì)象

本文選用F-1300型寶雞石油機(jī)械廠生產(chǎn)的鉆井泵，泵缸直徑為170mm，測(cè)試壓力8MPa。

2.3　采樣頻率

根據(jù)采樣定理，選擇合適的采樣頻率[6]。采樣定理是指一個(gè)在頻率fm以上部分無(wú)頻率分量存在的有限帶寬信號(hào)，可由它在小于或等于1/（2fm）的均勻時(shí)間間隔△t上的取值唯一確定，因此采樣頻率應(yīng)滿足：

式中：fs—數(shù)據(jù)采集過程的頻率；△t—間隔時(shí)間；fc—傅里葉變換中的最高分析頻率；fx—數(shù)據(jù)采集測(cè)試中的最高頻率。

根據(jù)前期試驗(yàn)過程中獲取的參數(shù)值，鉆井泵正常工況下振動(dòng)頻率在5000Hz以內(nèi)，因而本次試驗(yàn)過程中將對(duì)比分析 1kHz、2kHz、5kHz、10kHz 的采樣頻率。 數(shù)據(jù)顯示表明，10KHz的采樣頻率最有利于試驗(yàn)分析。

2.4　傳感器位置布置方案

本次試驗(yàn)方案選擇在鉆井泵外殼表面粘貼振動(dòng)傳感器，為優(yōu)選傳感器的安裝位置，本次試驗(yàn)將通過在每一個(gè)常見故障部件附近安裝多個(gè)傳感器的方法來優(yōu)選傳感器的位置[7]，具體方案如下：

優(yōu)選傳感器位置時(shí)，選取F1300型無(wú)故障鉆井泵進(jìn)行傳感器位置試驗(yàn)。傳感器位置布置分為兩種方案：即分別對(duì)液力端和動(dòng)力端進(jìn)行傳感器的布置。本次試驗(yàn)過程中，采用“左、中、右”表示面對(duì)鉆井泵液力端左、中、右的方位，并且在傳感器上進(jìn)行編號(hào)。

圖3　液力端傳感器的安裝位置圖Fig.3 Installation position diagram of the hydraulic end sensor

（1）鉆井泵液力端傳感器布置方式。根據(jù)傳統(tǒng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在液力端布置15個(gè)傳感器來監(jiān)測(cè)核心零部件周圍的振動(dòng)情況，各個(gè)傳感器具體的安裝位置如圖3所示。

（2）鉆井泵動(dòng)力端傳感器布置方式。以同樣的方式在動(dòng)力端布置15個(gè)傳感器來監(jiān)測(cè)核心零部件周圍的振動(dòng)情況，各個(gè)傳感器具體的安裝位置如圖4所示。

圖4　動(dòng)力端傳感器的安裝圖Fig.4 Installation diagram of the power end sensor

按照上述的傳感器位置布置方案，選取F1300型無(wú)故障鉆井泵分別在8MPa工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，采集相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)，按照小波包分解低頻段能量比值，能力值越小，表明該處振動(dòng)越劇烈，能更加全面的接收振動(dòng)信號(hào)，通過該方式即可找到最能反映待測(cè)部件振動(dòng)特征參數(shù)的傳感器安放位置。

2.5　測(cè)試點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

在優(yōu)選過程中，項(xiàng)目組開展了5臺(tái)次的實(shí)地實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選獲得了傳感器位置。表2位液力端傳感器位置優(yōu)選對(duì)比表，表3為動(dòng)力段傳感器位置優(yōu)選對(duì)比表。

表2　液力端傳感器位置優(yōu)選對(duì)比表Tab.2 Comparison table for location optimization of hydraulic end sensors

表3　動(dòng)力段傳感器位置優(yōu)選對(duì)比表Tab.3 Comparison table of sensor position selection in power section

根據(jù)兩表的對(duì)比結(jié)果?？纱_定處適合于該型號(hào)鉆井泵故障診斷過程中的傳感器整體布置位圖，具體方位如圖5所示。

圖5　優(yōu)選傳感器位置圖Fig.5 Optimization of sensor position diagram

圖中：y1、y2、y3—吸入閥位置傳感器布置圖；y4、y5、y6—排出閥位置傳感器布置圖；y7、y8、y9—泵缸位置傳感器布置圖；d10、d11、d12—十字頭上方傳感器布置圖；d13、d15—傳動(dòng)軸軸承蓋上傳感器布置圖；d14、d16—曲軸軸承蓋上傳感器布置圖。

3　結(jié)論

基于振動(dòng)測(cè)試的故障診斷系統(tǒng)是目前較為普遍的獲取鉆井泵故障的方法之一，但因鉆井泵核心零部件眾多，選取合適的測(cè)試點(diǎn)尤為關(guān)鍵。本文在分析介紹鉆井泵振動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，選取典型F1300型號(hào)鉆井泵作為本次的實(shí)驗(yàn)裝置，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和小波分析低頻段能量值，結(jié)合特征頻率，獲取適合于該型號(hào)鉆井泵振動(dòng)測(cè)試最佳測(cè)試點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jun-Han Han，Jaehyun moon，Jin-Wook Shin， et al.A New Method for Monitoring an Oled Panel for Lighting By Sensing the Waveguided Light[J].Journal of Information Display，2012，13 （3）：119-123.

[2]Johnathang.Davis，S.bradford Cook，Davidd.Smith.Testing the Utility of an Adaptive Cluster Sampling Method for Monitoring a Rare and Imperiled Darter[J].North American Journal of Fisheries Management，2011，31（6）：1123-1132.

[3]Duan Yu-Bo，Wang Xing-Zhu，Han Xue-Song.The New Fault Diagnosis Method of Wavelet Packet Neural Network on Pump Valves of Reciprocating Pumps[C]Control and Decision Conference，2009.Ccdc'09.Chinese，2009：3285-3288.

[4]陳進(jìn).機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[5]Francesco Zirilli，Maria Cristina Recchioni，Lorella Fatone.Wavelet Bases Made of Piecewise Polynomial Functions：Theory and Applications[J].Applied Mathematics，2011，02（2）：196-2163.

[6]汪新凡.小波基選擇及其優(yōu)化[J].株洲工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（5）：38-40.

[7]李輝.基于粗糙集的水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)研究[D].西安理工大學(xué)（碩士論文），2006.